田間條件下小白菜對外源Cd的動態(tài)吸收特征

摘要[目的]探究田間條件下小白菜對外源Cd的動態(tài)吸收特征，為Cd污染土壤上蔬菜安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。[方法]采用田間微區(qū)試驗，共設(shè)4個Cd濃度處理，即0（CK）、1、2、5 mg/kg，每處理3次重復(fù)，研究外源Cd對小白菜生長的影響及小白菜對外源Cd的動態(tài)吸收特征。[結(jié)果]隨著外源Cd濃度的升高及生長時期的延長，Cd對小白菜生長的抑制加重。5 mg/kg處理55 d時，小白菜的根長、株高、生物量較CK下降幅度均達到最大。任一Cd濃度下小白菜的Cd含量在前45 d快速增加，45 d后增速放緩，地下部Cd含量在55 d達到最大值，地下部平均Cd含量是地上部的1.62倍。[結(jié)論]Cd對小白菜的生長作用受Cd污染濃度、生長時期雙重影響，且不同外源Cd濃度下小白菜各部位對Cd的吸收在不同生長時期呈現(xiàn)動態(tài)差異。

關(guān)鍵詞田間條件；外源鎘；小白菜；動態(tài)吸收

中圖分類號S634.3；X173文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）10-0067-04

Study on the Dynamic Accumulation of Exogenous Cadmium in Brassica chinensis L. under Field Conditions

YANG Shiyan（College of Resource，Sichuan Agriculture University，Chengdu，Sichuan 611130）

Abstract[Objective]To investigate the dynamic absorption characteristics of Brassica chinensis L. under field conditions，and to provide the theoretical basis for the safe production of vegetables on Cd contaminated soil.[Method]Set 4 Cd concentration treatments，namely，0（CK），1，2，5 mg/kg，each treatment for 3 times.The Cd effects on the growth of Brassica chinensis L. and the dynamic accumulation of exogenous Cd in Brassica chinensis L. was studied by field microplot experiments.[Result]The results showed that with the increase of exogenous Cd concentration and the extension of growth period，Cd inhibited the growth of Brassica chinensis L..The root length，plant height and biomass of Brassica chinensis L. reached the maximum value at 55 d under treatment of 5 mg/kg.The Cd content in Brassica chinensis L. increased rapidly at the first 45th days，while the rising tendency slowed down after the 45th days.However，the root was 1.62 times the Cd absorption of aboveground parts signally.[Conclusion]The Cd effects on the growth of Brassica chinensis L. were affected by the different concentrations of Cd and the growth stages of Brassica chinensis L.，also the accumulation of Cd in different parts of Brassica chinensis L. appeared dynamic discrepancy on account of different growth stages under varied concentrations of Cd.

Key wordsField conditions；Exogenous cadmium；Brassica chinensis L.；Dynamic accumulation

土壤作為環(huán)境的重要載體，殘留在土壤中的重金屬會導(dǎo)致土壤質(zhì)量惡化，嚴重影響農(nóng)作物生長及品質(zhì)安全[1-3]。曾希柏等[4]研究發(fā)現(xiàn)，我國約93%的菜地受重金屬污染且各省均有分布。相較于其他重金屬元素，Cd的生物毒性更強，更易為蔬菜所富集，進而通過食物鏈威脅人類健康[5]。曹仁林等[6]研究表明，我國污灌區(qū)受Cd污染菜地面積占所有重金屬超標土地面積的56.90%，且蔬菜Cd超標率高達10.23%，降低蔬菜可食部分Cd含量，實現(xiàn)蔬菜安全生產(chǎn)已引發(fā)廣泛關(guān)注。一般，低濃度Cd對植物生長有適當(dāng)刺激作用，高濃度Cd對植物生長有明顯毒害作用[7-8]。已有研究表明，Cd對蔬菜生長影響較大，可顯著減少蔬菜株高、根長、地下部和地上部的干重、鮮重[9]，且葉菜類蔬菜吸收Cd的能力高于果菜類[10]。此外，蔬菜對Cd的吸收因其生長期、吸收部位差異呈現(xiàn)動態(tài)變化特征[11]。有研究發(fā)現(xiàn)，不同Cd污染濃度下小白菜各部位對Cd的富集與其生長時間呈顯著相關(guān)，其葉部受重金屬危害的風(fēng)險大于根部[12]。

目前，Cd對植物的生長毒害效應(yīng)及植物對Cd的吸收研究一般采用盆栽試驗的方法[13]，對田間研究較少，且現(xiàn)有研究多探討不同Cd濃度下植物對Cd的吸收規(guī)律，對植物不同生育期Cd吸收動態(tài)特征研究較少。普通白菜作為原產(chǎn)于我國的一種大眾化蔬菜，在蔬菜供應(yīng)中具有重要地位[14]。筆者以小白菜作為試驗材料，研究田間條件下土壤Cd污染對小白菜生長的影響及小白菜對Cd的動態(tài)吸收特征，旨在為減少蔬菜體內(nèi)重金屬的累積及實現(xiàn)蔬菜安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1供試材料

供試土壤：由灰色沖積物發(fā)育而成的潮土，采自四川省都江堰市蒲陽鎮(zhèn)雙柏村，采用多點取樣法采集0～20 cm表土，基本理化性質(zhì)：陽離子交換量（CEC）16.37 cmol/kg，有機質(zhì)含量14.29 g/kg，全氮0.52 g/kg，有效氮67.38 mg/kg，有效磷8.26 mg/kg，有效鉀6.71 mg/kg，全Cd含量0.13 mg/kg，有效Cd含量0.02 mg/kg。

供試作物：小白菜（Brassica chinensis L），品種為快客35，購自四川省成都市溫江區(qū)公平鎮(zhèn)農(nóng)資店。

供試肥料：尿素（N 46%）；有機肥，720 g/小區(qū)。

1.2試驗設(shè)計

采用田間微區(qū)試驗，微區(qū)埋設(shè)方式采用半埋式，即0.3 m埋于地下，0.4 m露于地面。每個微區(qū)由長×寬×高為1.5 m×1.0 m×0.7 m的磚混結(jié)構(gòu)構(gòu)成。微區(qū)與微區(qū)之間由長1.0 m、寬0.1 m、高0.7 m的水泥埂隔開，在距離微區(qū)底部0.4 m處設(shè)有排水管口用于排出田間滲漏水。

試驗設(shè)4個Cd濃度處理，分別為Cd0（CK）：0 mg/kg，Cd1：1 mg/kg，Cd2：2 mg/kg，Cd5：5 mg/kg，每處理3次重復(fù)，共計12個微區(qū)。土壤風(fēng)干后磨碎過1 cm篩，外源添加Cd形態(tài)為CdCl2·2.5H2O（分析純），以溶液形式加入0～20 cm土壤中，將外源Cd溶液、基肥與土壤充分混勻，混勻后回填入池中。

待土壤穩(wěn)定150 d后播種小白菜，植物樣收獲后，釆集土壤樣品供分析用。每個微區(qū)播種20穴，每穴4粒種子，在2葉1心期進行間苗，每穴定苗2株。

1.3樣品采集與處理分別于小白菜間苗后的15、25、35、45、55 d進行樣品采集，每小區(qū)隨機選取5株作為1個重復(fù)，每處理3次重復(fù)。小白菜植株根系經(jīng)20 mmol/L Na2-EDTA浸泡15 min后用自來水沖洗，然后用去離子水潤洗，分別測量地下部和地上部的根長和株高。然后于105 ℃殺青30 min，75 ℃烘至恒重，稱重，粉碎備用。

1.4測定項目與方法

（1）將收獲的小白菜樣品研碎，經(jīng) HNO3-HClO4法消煮，用原子吸收分光光度計（AASnovAA400P，Germany）測定大白菜Cd含量。

（2）土壤有效態(tài)Cd含量采用DTPA提取，用原子吸收分光光度計（AASnovAA400P，Germany）測定；土壤全Cd含量經(jīng)HNO3-HCl-HF法消化，用原子吸收分光光度計（AASnovAA400P，Germany）測定；土壤理化性質(zhì)參照常規(guī)方法測定[15]。

（3）小白菜對Cd的吸收速率采用下式計算：

小白菜Cd吸收量占土壤Cd總量百分率=（小白菜Cd含量×生物量）/（土壤Cd含量×土壤質(zhì)量）×100%

1.5數(shù)據(jù)處理與分析

采用 Microsoft Excel 2013軟件進行數(shù)據(jù)處理及相關(guān)分析；采用Origin 9.0進行圖表的制作；采用SPSS 16.0進行統(tǒng)計分析。

2結(jié)果與分析

2.1不同外源Cd濃度對小白菜不同時期生物量的影響

從圖1可以看出，Cd脅迫下任一時期小白菜地上部、地下部生物量較CK均表現(xiàn)出明顯的下降趨勢（P<0.05）。隨著外源Cd濃度的升高，小白菜地上部、地下部生物量較CK的下降幅度逐漸增大。以55 d為例，Cd1處理小白菜地上部、地下部生物量分別較CK僅下降9.10%、5.73%，而Cd5處理小白菜地上部、地下部生物量較CK的下降幅度分別是Cd1的5.46倍、8.41倍。

此外，不同的生長階段，小白菜生物量受Cd的影響不同。圖1表明，各處理下小白菜地上部、地下部的生物量均在前45 d快速增大，此后增速逐漸變緩。至小白菜生長的55 d，其地上部、地下部的生物量較CK的減小幅度顯著大于前45 d（P<0.05）。Cd5處理55 d時，小白菜地上部、地下部的生物量較CK的下降幅度Cd最大，分別達49.75%、48.23%。

2.2不同外源Cd濃度對小白菜不同時期根長、株高的影響從圖2可以看出，任一生長階段，Cd脅迫下小白菜的根長、株高均較CK下降，Cd5處理55 d時，與CK相比株高下降28.11%，根長下降20.18%，是Cd1處理55 d時下降幅度的3.72倍、6.81倍。

在不同生長時期，外源Cd對小白菜的根長、株高影響不同。圖2顯示，各處理下，小白菜的根長與株高均在前45 d快速增長，45 d后增速放緩。以Cd5處理為例，45 d時，小白菜的根長、株高分別較CK下降19.72%、27.89%，而在55 d，其根長與株高分別較CK下降20.18%、28.11%，表現(xiàn)出小白菜生長的45 d后，其根長、株高較CK的下降幅度逐漸變大，Cd脅迫下生長期的延長加重了外源Cd對根長、株高的抑制。

2.3不同外源Cd濃度下小白菜各部位在各時期對Cd的吸收動態(tài)變化

由圖3可知，隨著Cd濃度的升高和生長時期的延長，小白菜地上部、地下部的Cd含量均呈現(xiàn)總體增加略有波動的趨勢。同時，Cd在小白菜體內(nèi)的分布也有所不同，其地下部對Cd的吸收比地上部更強。

圖3顯示，在任一生長時期，外源添加Cd濃度與小白菜體內(nèi)Cd含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。高Cd處理（Cd5）下小白菜體內(nèi)平均Cd含量是低Cd處理（Cd1）的2.5倍。此外，小白菜地上部、地下部Cd含量因生長時期變化而變化，其地上部、地下部Cd含量均在前45 d快速增加，45～55 d則增速放緩，地下部Cd含量在55 d達到最大值。

從圖3還可以看出，小白菜地下部對不同濃度Cd吸收量在25 d后顯著高于地上部（P<0.05）。以55 d為例，Cd5處理下，小白菜地上部Cd含量為7.07 mg/kg，地下部Cd含量為12.97 mg/kg。整個生長期內(nèi)，小白菜地上部平均Cd含量為5.43 mg/kg ，地下部平均Cd含量為8.82 mg/kg， 即地下部Cd含量是地上部的1.62倍。

2.4不同時期小白菜對Cd的吸收速率

為進一步說明小白菜不同時期對Cd的吸收動態(tài)變化，用小白菜Cd吸收量占土壤Cd總量的百分比來表征小白菜對Cd的吸收速率。從圖4可以看出，隨著生長時間的延長小白菜對Cd的吸收速率也逐漸增加。任一生長階段，小白菜對Cd的吸收速率從大到小依次為Cd1、Cd2、Cd5，且隨著生長時間的延長，低濃度Cd處理下小白菜對Cd的吸收速率遠大于高濃度Cd處理。

55 d時，Cd1處理下小白菜對Cd的吸收速率為0.15%，而Cd5處理下小白菜對Cd吸收速率為0.04%，低Cd處理下Cd的吸收速率比高Cd處理多出0.11百分點。

45卷10期楊湜煙田間條件下小白菜對外源Cd的動態(tài)吸收特征

3討論

于方明等[16]、任艷芳等[17]研究Cd對小白菜、萵苣生長的影響發(fā)現(xiàn)，其株高、葉長、葉寬、莖粗、干質(zhì)量等隨著Cd濃度的升高而明顯下降。陳春樂等[18]研究認為，隨著外源Cd濃度的升高，芥菜的生長受Cd抑制加重。此外，玉米、西葫蘆、黃瓜、西紅柿等多種植物也會隨著Cd濃度的升高而出現(xiàn)不同程度的生長遲緩、產(chǎn)量下降等現(xiàn)象[19]。這與筆者的研究結(jié)果一致，隨著土壤外源Cd濃度的升高，Cd對小白菜根長、株高、生物量的抑制逐漸增強，這主要是由于高Cd污染下植物的吸收代謝過程嚴重紊亂，植物組織體內(nèi)Cd濃度到達一定程度便表現(xiàn)出明顯的受害癥狀。但隨著外源Cd濃度的升高，不同時期小白菜的根長、株高及生物量受抑制程度不同。屈應(yīng)明[20]研究田間條件下不同時期外源Cd對小白菜生長的影響發(fā)現(xiàn)，無論在高Cd濃度下還是在低Cd濃度下，21 d后小白菜較CK下降幅度顯著增加，生長時期的延長加重了外源Cd對小白菜根長、株高、植株鮮重的抑制。劉莉[21]研究也發(fā)現(xiàn)，隨著外源Cd濃度的升高及生長時期的延長，番茄幼苗的生長受Cd毒害愈明顯。該試驗中同樣觀察到小白菜在前45 d根長、株高、生物量快速增加，45 d后增速減緩且較CK下降幅度更顯著。這可能是由于前45 d是小白菜的快速生長時期，其生長指標普遍增大，但45 d后小白菜體內(nèi)的Cd含量已積累到一定濃度，因而在生長后期Cd對小白菜的抑制作用更明顯。由此可見，Cd對小白菜的生長作用受到Cd污染濃度、生長時期的雙重影響，隨著外源Cd濃度的升高及生長時期的延長一定程度會加重Cd對小白菜的毒害。

一般地，隨著生長時期的延長，植物對Cd的吸收速率不斷增加，其體內(nèi)Cd積累總量也不斷增加，但植物對Cd的吸收因不同生長階段而表現(xiàn)出不同特征。李正文[22]研究發(fā)現(xiàn)，隨著水稻的生長，其體內(nèi)積累的Cd含量呈逐漸增加趨勢，具體過程為前期快速積累、中期相對穩(wěn)定，后期繼續(xù)上升直至最大值。李勤鋒等[23]在研究紅蛋植物對Cd的動態(tài)吸收規(guī)律中也發(fā)現(xiàn)，在低Cd（5 mg/L）及高Cd（15 mg/L）濃度處理下，紅蛋地上部和地下部Cd含量均隨著培養(yǎng)時間的延長而持續(xù)增大。長時間培養(yǎng)下（27 d），紅蛋植物對Cd的吸收整體呈現(xiàn)前期快速增加，后期增速放緩的情況。該試驗中不同生長時期的小白菜對Cd的吸收動態(tài)特征表現(xiàn)為前45 d快速增加，45～55 d后吸收減緩，地下部Cd含量達到最大值，這一方面是由于植物生長后期土壤供Cd能力下降，植物對Cd的吸收趨于穩(wěn)定，另一方面則是生長時期的延長，植物受Cd抑制加重所致[24-25]。綜合證明，小白菜對Cd的吸收隨時間延長與外源Cd濃度升高而增加，但不同時期存在動態(tài)差異。

進一步研究表明，植物不同部位對Cd的吸收存在顯著差異。梁稱福等[26]研究表明，對Cd的富集能力最強的是蔬菜的根部。Yargholi等[27]研究發(fā)現(xiàn)，7種不同蔬菜地上部（莖、葉）對Cd的富集量均大于地下部（根系），原因在于Cd作為一種高生物活性重金屬，更容易為根系吸收繼而轉(zhuǎn)運到地上部累積。但大多數(shù)研究認同植物根系重金屬積累高于地上部[28]，該試驗結(jié)果中小白菜地下部Cd含量顯著大于地上部（P<0.05），符合植物將大部分Cd限制在地下部的說法，這可能是由于蔬菜主要通過根系吸收重金屬，重金屬首先在根中累積，然后再由根系向地上部轉(zhuǎn)運[29]。隨著外源Cd濃度的升高及生長時期的延長，小白菜受害加重并抑制了根系向地上部運輸Cd。

4結(jié)論

（1）田間條件下，外源Cd對小白菜生長的抑制受Cd濃度及生長時期的雙重影響。外源Cd濃度的升高顯著抑制小白菜的生長，Cd脅迫下小白菜生長的前45 d根長、株高、生物量快速增加，45 d后則增速緩慢，至55 d較CK下降幅度達到最大，生長時期的延長加重了Cd對小白菜的抑制作用。

（2）不同外源Cd濃度下小白菜不同生長時期、不同部位對Cd的吸收呈現(xiàn)明顯動態(tài)差異。小白菜體內(nèi)Cd總量隨外源添加Cd濃度與生長時間增加而增加，但在其生長的前45 d，小白菜體內(nèi)Cd含量快速增加，45～55 d后增速放緩，至55 d地下部Cd含量達到最大值，其地下部對Cd的吸收能力強于地上部。

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